Een hypergevoelig instrument, diep onder de grond in Italië, is eindelijk geslaagd in de bijna onmogelijke taak om CNO-neutrino's te detecteren (kleine deeltjes die wijzen op de aanwezigheid van koolstof, stikstof en zuurstof) uit de kern van onze zon. Deze weinig bekende deeltjes onthullen het laatste ontbrekende detail van de fusiecyclus die onze zon en andere sterren aandrijft.

In resultaten gepubliceerd op 26 november in het tijdschrift Natuur (en staat op de omslag), onderzoekers van de Borexino-samenwerking melden de eerste detecties van dit zeldzame type neutrino's, "spookdeeltjes" genoemd omdat ze door de meeste materie gaan zonder een spoor achter te laten.

De neutrino's werden gedetecteerd door de Borexino-detector, een enorm ondergronds experiment in Midden-Italië. Het multinationale project wordt in de Verenigde Staten ondersteund door de National Science Foundation in het kader van een gedeelde subsidie ​​onder toezicht van Frank Calaprice, emeritus hoogleraar natuurkunde aan Princeton; Andrea Pocar, een in 2003 afgestudeerde alumna van Princeton en hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Massachusetts-Amherst; en Bruce Vogelaar, hoogleraar natuurkunde aan het Virginia Polytechnical Institute en de State University (Virginia Tech).

De detectie van "spookdeeltjes" bevestigt de voorspellingen uit de jaren dertig dat een deel van de energie van onze zon wordt gegenereerd door een keten van reacties waarbij koolstof, stikstof en zuurstof (CNO). Deze reactie produceert minder dan 1% van de zonne-energie, maar men denkt dat het de primaire energiebron is in grotere sterren. Bij dit proces komen twee neutrino's vrij - de lichtste bekende elementaire deeltjes materie - evenals andere subatomaire deeltjes en energie. Bij het meer overvloedige proces voor waterstof-tot-heliumfusie komen ook neutrino's vrij, maar hun spectrale handtekeningen zijn verschillend, waardoor wetenschappers onderscheid kunnen maken tussen hen.

"Bevestiging van CNO-verbranding in onze zon, waar het slechts op een niveau van 1% werkt, versterkt ons vertrouwen dat we begrijpen hoe sterren werken, " zei Calaprice, een van de initiatiefnemers en hoofdonderzoekers van Borexino.

CNO-neutrino's:ramen in de zon

Een groot deel van hun leven, sterren krijgen energie door waterstof te fuseren tot helium. In sterren zoals onze zon, dit gebeurt voornamelijk via proton-protonketens. Echter, in zwaardere en hetere sterren, koolstof en stikstof katalyseren waterstofverbranding en geven CNO-neutrino's vrij. Het vinden van neutrino's helpt ons om in de werkingen diep in het binnenste van de zon te kijken; toen de Borexino-detector proton-proton-neutrino's ontdekte, het nieuws verlichtte de wetenschappelijke wereld.

Maar CNO-neutrino's bevestigen niet alleen dat het CNO-proces in de zon aan het werk is, ze kunnen ook helpen bij het oplossen van een belangrijke open vraag in de stellaire fysica:hoeveel van het binnenste van de zon bestaat uit "metalen, " die astrofysici definiëren als alle elementen die zwaarder zijn dan waterstof of helium, en of de "metalliciteit" van de kern overeenkomt met die van het oppervlak van de zon of de buitenste lagen.

Helaas, neutrino's zijn buitengewoon moeilijk te meten. Meer dan 400 miljard van hen raken elke seconde elke vierkante centimeter van het aardoppervlak, toch gaan vrijwel al deze "spookdeeltjes" door de hele planeet zonder met iets te interageren, wetenschappers dwingen om zeer grote en zeer zorgvuldig beschermde instrumenten te gebruiken om ze te detecteren.

De Borexino-detector ligt 800 meter onder de Apennijnen in Midden-Italië, aan de Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) van het Italiaanse Nationale Instituut voor Kernfysica, waar een gigantische nylon ballon van ongeveer 9 meter breed gevuld met 300 ton ultrazuivere vloeibare koolwaterstoffen wordt vastgehouden in een meerlagige bolvormige kamer die is ondergedompeld in water. Een klein deel van de neutrino's die door de planeet gaan, zal terugkaatsen op elektronen in deze koolwaterstoffen, het produceren van lichtflitsen die kunnen worden gedetecteerd door fotonsensoren langs de watertank. De grote diepte, grootte en zuiverheid maakt Borexino een werkelijk unieke detector voor dit soort wetenschap.

Het Borexino-project werd begin jaren negentig geïnitieerd door een groep natuurkundigen onder leiding van Calaprice, Gianpaolo Bellini aan de Universiteit van Milaan, en wijlen Raju Raghavan (toen bij Bell Labs). In de afgelopen 30 jaar, onderzoekers over de hele wereld hebben bijgedragen aan het vinden van de proton-protonketen van neutrino's en, ongeveer vijf jaar geleden, het team begon de jacht op de CNO-neutrino's.

De achtergrond onderdrukken

"De afgelopen 30 jaar stonden in het teken van het onderdrukken van de radioactieve achtergrond, ' zei Calaprice.

De meeste neutrino's die door Borexino worden gedetecteerd, zijn proton-proton-neutrino's, maar een paar zijn herkenbare CNO-neutrino's. Helaas, CNO-neutrino's lijken op deeltjes geproduceerd door het radioactieve verval van polonium-210, een isotoop lekt uit de gigantische nylon ballon. Het scheiden van de neutrino's van de zon van de poloniumbesmetting vergde een moeizame inspanning, geleid door wetenschappers van Princeton, dat begon in 2014. Omdat niet kon worden voorkomen dat de straling uit de ballon lekte, de wetenschappers vonden een andere oplossing:negeer signalen van de besmette buitenrand van de bol en bescherm de diepe binnenkant van de ballon. Dat vereiste dat ze de snelheid van vloeistofbeweging in de ballon drastisch moesten vertragen. De meeste vloeistofstroom wordt aangedreven door warmteverschillen, dus het Amerikaanse team werkte aan een zeer stabiel temperatuurprofiel voor de tank en koolwaterstoffen, om de vloeistof zo stil mogelijk te maken. De temperatuur werd nauwkeurig in kaart gebracht door een reeks temperatuursondes geïnstalleerd door de Virginia Tech-groep, onder leiding van Vogelaar.

"Als deze beweging voldoende kan worden verminderd, we zouden dan de verwachte vijf of zo laagenergetische terugslagen per dag kunnen waarnemen die te wijten zijn aan CNO-neutrino's, " zei Calaprice. "Ter referentie, een kubieke voet 'frisse lucht' - die duizend keer minder dicht is dan de koolwaterstofvloeistof - ervaart ongeveer 100, 000 radioactief verval per dag, meestal van radongas."

Om stilte in de vloeistof te verzekeren, Wetenschappers en ingenieurs van Princeton en Virginia Tech ontwikkelden in 2014 en 2015 hardware om de detector te isoleren - in wezen een gigantische deken om eromheen te wikkelen. daarna voegden ze drie verwarmingscircuits toe die een perfect stabiele temperatuur handhaven. Die slaagden erin de temperatuur van de detector te regelen, maar seizoensgebonden temperatuurveranderingen in hal C, waar Borexino zich bevindt, veroorzaakte nog steeds kleine vloeistofstromen, verduistert het CNO-signaal.

Dus twee ingenieurs van Princeton, Antonio Di Ludovico en Lidio Pietrofaccia, werkte samen met LNGS-stafingenieur Graziano Panella om een ​​speciaal luchtbehandelingssysteem te creëren dat een stabiele luchttemperatuur in hal C handhaaft. Het Active Temperature Control System (ATCS), ontwikkeld eind 2019, produceerde uiteindelijk voldoende thermische stabiliteit buiten en binnen de ballon om de stromen in de detector te dempen, uiteindelijk voorkomen dat de verontreinigende isotopen van de ballonwanden naar de kern van de detector worden gedragen.

De inspanning wierp zijn vruchten af.

"De eliminatie van deze radioactieve achtergrond creëerde een laag achtergrondgebied van Borexino dat de meting van CNO-neutrino's mogelijk maakte, ' zei Calaprice.

"De data wordt steeds beter"

Vóór de ontdekking van CNO-neutrino's, het lab had gepland om de operaties van Borexino eind 2020 te beëindigen. Nu, het lijkt erop dat het verzamelen van gegevens zich zou kunnen uitstrekken tot 2021.

Het volume nog steeds koolwaterstoffen in het hart van de Borexino-detector is sinds februari 2020 blijven groeien, wanneer de gegevens voor de Natuur papier werd opgehaald. Dat betekent dat, verder dan het onthullen van de CNO-neutrino's die het onderwerp zijn van deze week Natuur artikel, er is nu een potentieel om het probleem van de "metalliciteit" ook op te lossen - de vraag of de kern, buitenste lagen en het oppervlak van de zon hebben allemaal dezelfde concentratie van elementen zwaarder dan helium of waterstof.

"We zijn doorgegaan met het verzamelen van gegevens, omdat de centrale zuiverheid is blijven verbeteren, een nieuw resultaat gericht op de metalliciteit een reële mogelijkheid maken, "Zei Calaprice. "Niet alleen zijn we nog steeds gegevens aan het verzamelen, maar de gegevens worden steeds beter."